基于嵌入式系统的气溶胶热发生器的关键技术研究

陈建 梁凤飞 胡增 孙吉勇

摘  要：文章是基于嵌入式系统对气溶胶热发生器的关键技术——温控系统的研究，以高速MCU为主控芯片，搭建温度控制系统闭环回路，采用双波段温度控制技术，可快速达到温度控制目标并稳定，实现开机3分钟即可工作，基于该温度控制系统，顺利开发了基于蒸发冷凝原理的气溶胶热发生器，经过测试，气溶胶热发生器在165秒达到所需温度并最终保持在400℃，实现温度的快速高精度控制。

关键词：气溶胶;热发生器;双波段温度控制;闭环控制

中图分类号：X513        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）32-0154-02

Abstract： This paper is based on the research of temperature control system， which is the key technology of aerosol heat generator based on embedded system. The closed loop of temperature control system is built with high speed MCU as the main control chip， and the dual band temperature control technology is adopted. The temperature control target can be achieved quickly and stably， and the machine can work in 3 minutes. Based on the temperature control system， an aerosol heat generator based on evaporation and condensation principle is developed successfully. The aerosol heat generator reaches the required temperature in 165 seconds and finally remains at 400℃， realizing fast and high precision temperature control.

Keywords： aerosol; heat generator; dual band temperature control; closed loop control

氣溶胶发生器作为空气过滤系统检测的关键设备被广泛应用于空气过滤系统的检测，气溶胶发生器根据其原理分为气溶胶冷发生器及气溶胶热发生器[3]。气溶胶热发生器是根据蒸发冷凝的原理[1]，温度控制则是气溶胶热发生器的关键技术之一。基于此，本文设计了一种双波段温度闭环控制系统，实现温度快速上升并稳定。

1 嵌入式控制电路设计

1.1 温度检测电路设计

在气溶胶热发生器控制系统中，由于温度高达400℃，因此需要采用高温热电偶，本文选用PT100热电阻，PT100是一种应用广泛的测温元件，在-50℃-600℃的范围内具有其他温度传感器更佳的优势，其精度高、稳定性好、抗干扰能力强等[4]，本文采用桥式测温电路，如图1。

本设计通过调整可变电阻R7实现清零标定，输出信号可直接进入AD转换芯片转换成数字信号。

1.2 AD转换电路设计

AD转换芯片是本文设计的温控系统的核心部件之一，其转换精度、可靠性直接影响后续的控制系统控制精确度、稳定度等，本文采用AD7685作为AD转换的主芯片，如图2。

AD7685是一款16位、电荷再分配、逐次逼近型模数转换器（ADC），采用2.3V至5.5V单电源（VDD）供电。AD7685内置一个低功耗、高速、16位无失码采样ADC、一个内部转换时钟和一个多功能串行接口端口，还集成了一个低噪声、宽带宽、短孔径延迟的采样保持电路。在CNV上升沿，AD7685对IN+与IN-之间的模拟输入电压差进行采样，范围从0V至REF。基准电压（REF）由外部提供，最高可设置为电源电压。

SPI兼容串行接口还能够利用SDI输入，将几个ADC以菊花链形式连结到单三线式总线上，或提供一个可选的忙闲指示功能。采用独立电源VIO时，AD7685与1.8V、2.5V、3V或5V逻辑兼容。

本文采用3.3V数字逻辑电平电源，为提高采样精度，采用ADI公司的高精度参考电压芯片ADR445作为AD转换芯片的参考电位及供电，如图3。

1.3 主控MCU电路设计

主控MCU芯片选用意法半导体公司的STM32F103RB

T6，STM32F103RBT6采用ARM32位Cortex-M3内核，最高工作频率72MHz，存储器访问周期可达1.25DMips/MHz。

1.4 加热器控制电路

本文设计的气溶胶热发生器系统采用100W加热器，以实现在现有功率的情况下快速实现温度上升，并采用固态继电器作为加热器开关控制元件，固态继电器优于传统的机械式继电器，其具有响应速度快、无点接触火花、应用简单方便等优点。通过固态继电器对加热器进行直接驱动控制，减少外围部件，提高系统稳定性。本文还采用了光电耦合器将强电与弱点控制隔离，防止加热器部分的强电部分对MCU控制回路的弱电部分产生干扰，影响系统的稳定性及温度控制的精度。如图4。

2 控制程序编写

系统控制加热过程主要分为两个阶段，第一个阶段为快速升温过程，当温度达到第一临界点前，加热器全功率加热。当温度达到第一临界点后，开始PID精确控制加热器加热，此过程对温度升高速度要求降低，但对温度的稳定性及精度要求提高。当温度达到第二临界点时，系统确认惰性气体气压，当气压达到需求时，开启油管阀门，此时发生器喷嘴将喷出气溶胶颗粒。

3 系统测试

通过本文设计的气溶胶热发生器的关键部分之一——温控系统，设定目标值为400℃，第一临界值为320℃，第二临界值为360℃，具体温度时间曲线如图5。

由图5可以看出，加热器全功率加热时，温度在62秒达到第一临界点，在94秒达到第二临界点，此时即可进行打开油阀进行发雾。之后的时间，温度则缓慢接近设置目标400℃。

4 结论

根据实验结果可知，通过本文设计的双波段温度控制系统，实现温度的快速上升到第一临界点，在启用PID温控系统后，温度上升速度减慢，但仍然很快达到第二临界点，之后温度缓慢逼近设置目标温度400℃，且温度稳定、精度高，达到既定目标。

参考文献：

[1]Stahlhofen W，Gebhart J，Roth C. Generation and propertiesof a condensation aerosol of di-2-ethylhexyl-sebacate（DES）-III：Experimental investigations into the process ofaerosol formation.  Journal of Aerosol Science，1976：30-33.

[2]Baron P A，Willeke K. Aerosol Measurement：Principles，Techni

ques，and Applications，2001：52-55.

[3]陈亮.用蒸发冷凝法发生准单分散亚微米气溶胶的实验研究[D].北京：清华大学，2008.

[4]朱炜敏，刘瑾，杨海马.高精度恒温控制系统的设计[J].测控技术，2017（04）：89-92.